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分类: LINUX

一、PCI简介
     PCI是一种外设总线规范。我们先来看一下什么是总线:总线是一种传输信号的路径或信道。典型情况是,总线是连接于一个或多个导体的电气连线,总 线上连接的所有设备可在同一时间收到所有的传输内容。总线由电气接口和编程接口组成。本文讨论Linux 下的设备驱动,所以,重点关注编程接口。
     PCI是Peripheral Component Interconnect(外围设备互联)的简称,是普遍使用在桌面及更大型的计算机上的外 设总线。PCI架构被设计为ISA标准的替代品,它有三个主要目标:获得在计算机和外设之间传输数据时更好的性能;尽可能的平台无关;简化往系统中添加和 删除外设的工作。

二、PCI寻址
     从现在开始,我想尽可能通过一些实际的例子来说明问题,而减少理论方面的问题的描述,因为,相关的理论的东西,可以在其它地方找到。
     我们先来看一个例子,我的电脑装有1G的RAM,1G以后的物理内存地址空间都是外部设备IO在系统内存地址空间上的映射。 /proc/iomem描述了系统中所有的设备I/O在内存地址空间上的映射。我们来看地址从1G开始的第一个设备在/proc/iomem中是如何描述 的:
             40000000-400003ff : 0000:00:1f.1
     这是一个PCI设备,40000000-400003ff是它所映射的内存地址空间,占据了内存地址空间的1024 bytes的位置,而 0000:00:1f.1则是一个PCI外设的地址,它以冒号和逗号分隔为4个部分,第一个16位表示域,第二个8位表示一个总线编号,第三个5位表示一 个设备号,最后是3位,表示功能号。

     因为PCI规范允许单个系统拥有高达256个总线,所以总线编号是8位。但对于大型系统而言,这是不够的,所以,引入了域的概念,每个 PCI域可以拥有最多256个总线,每个总线上可支持32个设备,所以设备号是5位,而每个设备上最多可有8种功能,所以功能号是3位。由此,我们可以得 出上述的PCI设备的地址是0号域0号总线上的31号设备上的1号功能。

     那上述的这个PCI设备到底是什么呢?下面是我的电脑上的lspci命令的输出:
     00:00.0 Host bridge: Intel Corporation 82845 845 (Brookdale) Chipset Host Bridge (rev 04)
     00:01.0 PCI bridge: Intel Corporation 82845 845 (Brookdale) Chipset AGP Bridge(rev 04)
     00:1d.0 USB Controller: Intel Corporation 82801CA/CAM USB (Hub #1) (rev 02)
     00:1d.1 USB Controller: Intel Corporation 82801CA/CAM USB (Hub #2) (rev 02)
     00:1e.0 PCI bridge: Intel Corporation 82801 Mobile PCI Bridge (rev 42)
     00:1f.0 ISA bridge: Intel Corporation 82801CAM ISA Bridge (LPC) (rev 02)
     00:1f.1 IDE interface: Intel Corporation 82801CAM IDE U100 (rev 02)
     00:1f.3 SMBus: Intel Corporation 82801CA/CAM SMBus Controller (rev 02)
     00:1f.5 Multimedia audio controller:Intel Corporation 82801CA/CAM AC'97 Audio Controller (rev 02)
     00:1f.6 Modem: Intel Corporation 82801CA/CAM AC'97 Modem Controller (rev 02)
     01:00.0 VGA compatible controller: nVidia Corporation NV17 [GeForce4 420 Go](rev a3)
     02:00.0 FireWire (IEEE 1394): VIA Technologies, Inc. IEEE 1394 Host Controller(rev 46)
     02:01.0 Ethernet controller: Realtek Semiconductor Co., Ltd. RTL-8139/8139C/8139C+(rev 10)
     02:04.0 CardBus bridge: O2 Micro, Inc. OZ6933 Cardbus Controller (rev 01)
     02:04.1 CardBus bridge: O2 Micro, Inc. OZ6933 Cardbus Controller (rev 01)
     lspci没有标明域,但对于一台PC而言,一般只有一个域,即0号域。通过这个输出我们可以看到它是一个IDE interface。由上述的 输出可以看到,我的电脑上共有3个PCI总线(0号,1号,2号)。在单个系统上,插入多个总线是通过桥(bridge)来完成的,桥是一种用来连接总线 的特殊PCI外设。所以,PCI系统的整体布局组织为树型,我们可以通过上面的lspci输出,来画出我的电脑上的PCI系统的树型结构:
00:00.0(主桥)--00:01.0(PCI桥)-----01:00:0(nVidia显卡)
                   |
                   |---00:1d(USB控制器)--00:1d:0(USB1号控制器)
                   |                    |
                   |                    |--00:1d:1(USB2号控制器)                    |
                   |-00:1e:0(PCI桥)--02:00.0(IEEE1394)
                   |                |
                   |                |-02:01.0(8139网卡)
                   |                |
                   |                |-02:04(CardBus桥)-02:04.0(桥1)
                   |                                   |
                   |                                   |--02:04.1(桥2)
                   |
                   |-00:1f(多功能板卡)-00:1f:0(ISA桥)
                                        |
                                        |--00:1f:1(IDE接口)
                                        |
                                        |--00:1f:3(SMBus)
                                        |
                                        |--00:1f:5(多媒体声音控制器)
                                        |
                                        |--00:1f:6(调制解调器)
     由上图可以得出,我的电脑上共有8个PCI设备,其中0号总线上(主桥)上连有4个,1号总线上连有1个,2号总线上连有3个。00:1f是一个连有5个功能的多功能板卡。
     每一个PCI设备都有它映射的内存地址空间和它的I/O区域,这点是比较容易理解的。除此之外,PCI设备还有它的配置寄存器。有了配置寄存器, PCI的驱动程序就不需要探测就能访问设备。配置寄存器的布局是标准化的,配置空间的4个字节含有一个独一无二的功能ID,因此,驱动程序可通过查询外设 的特定 ID来识别其设备。所以,PCI接口标准在ISA之上的主要创新在于配置地址空间。
前文已讲过,PCI驱动程序不需要探测就能访问设备,而这得益于配置地址空间。在系统引导阶段,PCI硬件设备保持未激活状态,但每个PCI主板均配备有能够处理PCI的固件,固件通过读写PCI控制器中的寄存器,提供了对设备配置地址空间的访问。
     配置地址空间的前64字节是标准化的,它提供了厂商号,设备号,版本号等信息,唯一标识一个PCI设备。同时,它也提供了最多可多达6个的I/O 地址区域,每个区域可以是内存也可以是I/O地址。这几个I/O地址区域是驱动程序找到设备映射到内存和I/O空间的具体位置的唯一途径。有了这两点, PCI驱动程序就完成了相当于探测的功能。关于这64个字节的配置空间的详细情况,可参阅《Linux设备驱动程序第三版》P306,不再详述。
     下面,我们来看一下8139too网卡设备的配置空间的详细情况。在2.6内核的系统中,可以在目录/sys/bus/pci/drivers/ 下看到很多以PCI设备名命名的目录,但不是说这些设备都存在于你的系统中。我们进入8139too目录,其中有一个以它的设备地址0000:02: 01.0命名的目录。在这个目录下可以找到该网卡设备相关的很多信息。其中resource记录了它的6个I/O地址区域。内容如下:
         0x0000000000003400 0x00000000000034ff 0x0000000000000101
         0x00000000e0000800 0x00000000e00008ff 0x0000000000000200
         0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
         0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
         0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
         0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
         0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
     由该文件可以看出,8139too设备使用了两个I/O地址区域,第一个是它映射的I/O端口范围,第二个是它映射的内存地址空间。关于这两个值可以在/proc/iomem和/proc/ioport中得到验证。

-[0000:00]-+-00.0
           +-02.0
           +-1d.0
           +-1d.1
           +-1d.2
           +-1d.7
           +-1e.0-[0000:01]--+-02.0
           |                 /-05.0
           +-1f.0
           +-1f.1
           +-1f.3
           /-1f.5
00:00.0 Host bridge: Intel Corporation 82845G/GL[Brookdale-G]/GE/PE DRAM Controller/Host-Hub Interface (rev 03)
00:02.0 VGA compatible controller: Intel Corporation 82845G/GL[Brookdale-G]/GE Chipset Integrated Graphics Device (rev 03)
00:1d.0 USB Controller: Intel Corporation 82801DB/DBL/DBM (ICH4/ICH4-L/ICH4-M) USB UHCI Controller #1 (rev 02)
00:1d.1 USB Controller: Intel Corporation 82801DB/DBL/DBM (ICH4/ICH4-L/ICH4-M) USB UHCI Controller #2 (rev 02)
00:1d.2 USB Controller: Intel Corporation 82801DB/DBL/DBM (ICH4/ICH4-L/ICH4-M) USB UHCI Controller #3 (rev 02)
00:1d.7 USB Controller: Intel Corporation 82801DB/DBM (ICH4/ICH4-M) USB2 EHCI Controller (rev 02)
00:1e.0 PCI bridge: Intel Corporation 82801 PCI Bridge (rev 82)
00:1f.0 ISA bridge: Intel Corporation 82801DB/DBL (ICH4/ICH4-L) LPC Interface Bridge (rev 02)

(LPC Hub 控制器 1 )
00:1f.1 IDE interface: Intel Corporation 82801DB (ICH4) IDE Controller (rev 02)
00:1f.3 SMBus: Intel Corporation 82801DB/DBL/DBM (ICH4/ICH4-L/ICH4-M) SMBus Controller (rev 02)
00:1f.5 Multimedia audio controller: Intel Corporation 82801DB/DBL/DBM (ICH4/ICH4-L/ICH4-M) AC'97 Audio Controller (rev 02)
01:02.0 Communication controller: Conexant HSF 56k HSFi Modem (rev 01)
01:05.0 Ethernet controller: Realtek Semiconductor Co., Ltd. RTL-8139/8139C/8139C+ (rev 10)

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